Sistemas Mecatrônicos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Motores CC

Circuito de armadura
V = E + IaRa
fcem e torque
E = k·ω, T = k·Ia
Velocidade
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidade a vazio e torque de travamento
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potências
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Partida
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulação de velocidade
SR = (n0 − nFL)/nFL
Potência desenvolvida máxima
Pmax = V²/(4Ra)
Acionamento com chopper
Va = D·Vdc

Método

  1. Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
  2. Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
  3. Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
  4. Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Aquisição de dados e amostragem

Critério de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequência de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamanho do passo
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Erro de quantização (arredondamento)
±½ LSB
Código do ADC com truncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para uma resolução r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide de fundo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Taxa de dados
canais × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baud/bits por quadro
Divisor da taxa de baud
baud = fclk/(16·D)

Método

  1. Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
  2. Em questões de amostragem, compare cada frequência com fs/2; uma frequência mais alta aparece em fa = |f − k·fs|, com o múltiplo de fs mais próximo.
  3. Em questões de resolução, determine 1 LSB = VFSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
  4. Para taxas de dados e enlaces UART, conte tudo o que é enviado: canais, amostras por segundo, bits ou bytes inteiros por amostra e os bits de início, de paridade e de parada de cada quadro.

Ponte de Wheatstone e extensômetros

Tensões dos divisores
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Saídas
Vab = Va − Vb
Balanço
R1/R2 = R3/R4
Ponte de fio
R/Rx = l/(100 − l)
Resistência de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Fator do extensômetro
ΔR/R = GF·ε
Saída da ponte
quarto Vs·GF·ε/4, meia Vs·GF·ε/2, completa Vs·GF·ε
Pequena variação, um braço
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensão
σ = E·ε

Método

  1. Trate a ponte como dois divisores de tensão sobre a mesma alimentação.
  2. Para o equilíbrio, faça R₁/R₂ = R₃/R₄ e resolva para o resistor desconhecido.
  3. Para uma ponte desequilibrada, encontre Va e Vb a partir dos divisores e subtraia; use o equivalente de Thévenin quando um medidor carrega a saída.
  4. Para extensômetros, converta a deformação em ΔR/R = GF·ε e use Vs·GF·ε/4, /2 ou ×1 para um quarto, meia ponte ou ponte completa.

Erro em regime permanente e controle PID

Tipo do sistema
número de polos de G(s) em s = 0
Constantes de erro
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Degrau A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Alvo de segunda ordem
s² + 2ζωns + ωn²
Sobressinal e tempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
  2. Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
  3. Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
  4. Para uma especificação de amortecimento ou velocidade, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercícios

1.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)0,3 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,15 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) funciona com 24 V e aciona um torque de carga de 0,3 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 24 Vk = 0,15 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 0,3 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
+−48 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 0,75 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,15 V·s/rad com campo pleno, Ra = 1 Ω, V = 48 V) aciona um torque de carga constante de 0,75 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 75 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/radRa = 1 ΩT = 0,75 N·mΦ = 75 %
n = rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 45N2​ = 48

Um motor de 0,75 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 45 dentes, que engrena com uma engrenagem de 48 dentes. Desconsidere as perdas. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 45N2 = 48η = 100%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 50C = 24D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1500 rpm, aciona a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (24 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 50C = 24D = 50
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = ?200 kPa2ᴺ − 10≤ 1 kPa

Um sensor mede pressão em uma faixa de 200 kPa, e sua saída preenche toda a faixa de entrada de um ADC. A leitura deve resolver 1 kPa. Encontre o menor número de bits N de que o ADC precisa.

faixa = 200 kParesolução = 1 kPa
N =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
128⋮8 ch∿01tc​ = 20 µstset​ = 0,5 µsfs​ = ?

Um multiplexador de 8 canais alimenta um único ADC. Cada conversão leva 20 µs e, após cada troca de canal, a entrada precisa de 0,5 µs para se estabilizar. Os canais são varridos em sequência, sem pausa. Encontre a taxa de amostragem fs de cada canal, em kHz.

n = 8tc = 20 µstset = 0,5 µs
fs = kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−15 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Uma ponte tem quatro braços de 470 Ω e Vs = 15 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 0,94 Ω. Usando a aproximação para pequenas variações, encontre a saída Vab em mV.

Vs = 15 VR = 470 ΩΔR = 0,94 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Um quarto de ponte (um extensômetro ativo, GF = 2) é excitado com 3 V. A maior deformação a ser medida é 200 µε, e ela deve resultar em 2,5 V na entrada de um conversor analógico-digital. Encontre o ganho do amplificador G.

Vs = 3 VGF = 2εmax = 200 µεVFS = 2,5 V
G =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K = 1922s + 1C(s)−

Um processo G(s) = 2/(2s + 1) é controlado por um ganho proporcional K = 19 em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para um degrau, como porcentagem do tamanho do degrau.

G(s) = 2/(2s + 1)K = 19
ess = %
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 5t+1 + 2/s10(s + 2)(s + 4)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 1 + 2/s controla a planta G(s) = 10/((s + 2)(s + 4)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para a entrada em rampa r(t) = 5t.

C(s) = 1 + 2/sG(s) = 10/((s + 2)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 22/(s² + 5s + 22) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 22/(s² + 5s + 22)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
k = 100 N/mc = 19 N·s/mm = 2,5 kgF = 5 Nx(t)

Uma massa m = 2,5 kg está pendurada em uma mola k = 100 N/m com um amortecedor viscoso c = 19 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 5 N é aplicada de repente. Encontre o sobressinal percentual %OS do deslocamento.

m = 2,5 kgk = 100 N/mc = 19 N·s/mF = 5 N
%OS = %

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 1337 rpm

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 0,3/0,15 = 2 A

fcem e velocidade

E = 24 − 2·1,5 = 21 V
ω = E/k = 140 rad/s → n = 1337 rpm

Resposta

n = 1337 rpm
2.Motores CC

Resposta: n = 3508 rpm

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,75·0,15 = 0,1125 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,75/0,1125 = 6,667 A

Nova velocidade

ω = (48 − 6,667·1)/0,1125 = 367,4 rad/s → n = 3508 rpm

Resposta

n = 3508 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 4,974 N·m

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Torque do motor

ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/150,8 = 4,974 N·m

Resposta

T1 = 4,974 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 172,8 rpm

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Primeiro estágio

nB = 1500·12/50 = 360 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 360·24/50 = 172,8 rpm

Resposta

nout = 172,8 rpm

relação total = 8,681 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 8

Resolução do ADC: um conversor de N bits divide sua faixa de fundo de escala VFSR em 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Um passo é 1 LSB = VFSR/2ᴺ: a menor variação que o conversor consegue mostrar. Um ADC com truncamento dá o código ⌊Vin/LSB⌋; um ADC com arredondamento nunca fica a mais de ½ LSB do valor verdadeiro, seu erro de quantização. Cada bit a mais reduz o LSB à metade e acrescenta cerca de 6 dB à relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para uma senoide de fundo de escala. Para alcançar uma resolução r em uma faixa, escolha o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/r.

Passos necessários

200/1 = 200

Bits

log₂(200) = 7,644
27 = 128 < 200 ≤ 28 = 256
N = 8

Resposta

N = 8
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fs = 6,098 kHz

Taxas de dados: cada canal fornece fs amostras por segundo de N bits, então a taxa bruta é canais × fs × N bit/s. Na memória, uma amostra ocupa bytes inteiros (uma amostra de 12 bits é armazenada em 2 bytes), então a memória para uma gravação é canais × fs × bytes por amostra × tempo. Um ADC multiplexado converte os canais um após o outro: cada conversão (com o tempo de estabilização) leva t, então uma rodada de n canais leva n·t e cada canal é amostrado a 1/(n·t).

Tempo por canal

20 + 0,5 = 20,5 µs

Tempo por varredura

8·20,5 = 164 µs

Taxa de amostragem por canal

fs = 1/164 µs = 6,098 kHz

Resposta

fs = 6,098 kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vab = 7,5 mV

Ponte de Wheatstone: dois divisores de tensão compartilham uma mesma alimentação Vs. O divisor da esquerda R1–R2 dá Va = Vs·R2/(R1 + R2) e o divisor da direita R3–R4 dá Vb = Vs·R4/(R3 + R4); a saída é Vab = Va − Vb. A ponte está equilibrada (Vab = 0, sem corrente no medidor) quando R1/R2 = R3/R4, isto é, R1·R4 = R2·R3. Vista da saída, a ponte é uma fonte de Thévenin com Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Variação relativa

ΔR/R = 0,94/470 = 0,002

Saída linearizada

Vab ≈ 15·0,002/4 = 7,5 mV

Resposta

Vab = 7,5 mV

O valor exato é 7,493 mV; a aproximação é boa enquanto ΔR/R for pequeno.

8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: G = 8333

Extensômetros: um extensômetro altera sua resistência com a deformação: ΔR/R = GF·ε, onde o fator do extensômetro GF é cerca de 2 para folha metálica. Em uma ponte com todos os braços iguais a R, um extensômetro ativo (um quarto de ponte) dá Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dois extensômetros ativos com deformações opostas em braços adjacentes (meia ponte) dão Vs·GF·ε/2, e quatro (ponte completa) dão Vs·GF·ε. A tensão mecânica segue da lei de Hooke, σ = E·ε. As células de carga indicam sua sensibilidade em mV/V: a saída a plena carga por volt de excitação.

Saída da ponte em fundo de escala

Vo = 0,3 mV

Ganho

G = 2,5/0,0003 = 8333

Resposta

G = 8333
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 2,564 %

Erro em regime permanente: em uma malha com realimentação unitária e função de transferência de malha aberta G(s), o erro é E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e pelo teorema do valor final ess = lims→0 s·E(s). O tipo do sistema é o número de polos de G(s) em s = 0. As constantes de erro são Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Um degrau de tamanho A dá ess = A/(1 + Kp), uma rampa A·t dá A/Kv e uma parábola A·t²/2 dá A/Ka. Uma malha do tipo 0 segue um degrau com erro finito, uma malha do tipo 1 o segue exatamente e segue uma rampa com erro finito.

Constante de posição

Kp = 19·2 = 38

Erro ao degrau

ess = 100/(1 + 38) = 2,564 %

Resposta

ess = 2,564 %
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 2

Controle P, PI e PID: o controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s atua sobre o erro. Um ganho proporcional torna a malha mais rápida e reduz o erro de uma planta do tipo 0, mas nunca o elimina. O termo integral acrescenta um polo em s = 0: o tipo do sistema sobe uma unidade, e um degrau é seguido sem erro. O termo derivativo acrescenta amortecimento. Para escolher os ganhos, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζωns + ωn². Então %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd com ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).

Constante de velocidade

s·C(s) = 1s + 2 → 2 quando s → 0.

Kv = 2·10/8 = 2,5

Erro de rampa

ess = 5/2,5 = 2

Resposta

ess = 2

O controlador PI remove completamente o erro ao degrau; uma rampa é seguida com um atraso constante.

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,7916 s

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Compare com a forma padrão

O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,69) = 0,533

Resultado

ωd = 4,69·√(1 − 0,533²) = 3,969 rad/s → tp = π/ωd = 0,7916 s

Resposta

tp = 0,7916 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 9,43 %

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = √(k/m) = √(100/2,5) = 6,325 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 19/(2·√(100·2,5)) = 0,6008

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,43 %

Resposta

%OS = 9,43 %

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